EV-DO网络特性测试研究

陈伟权，吴镇邦，王耀光，秦 勇

(1.广东省东莞市质量监督检测中心，广东 东莞 523808；2.东莞理工学院 计算机学院，广东 东莞 523808)

EV-DO网络特性测试研究

陈伟权1，吴镇邦1，王耀光1，秦 勇2

(1.广东省东莞市质量监督检测中心，广东 东莞 523808；2.东莞理工学院 计算机学院，广东 东莞 523808)

移动端应用的高速增长更好地体现了3G EV-DO的重要性。为更加准确地测量EV-DO网络的带宽，文中利用EV-DO网络嗅探器和Wireshark2工具来捕获蜂窝网的通信量进行测量，进行了数据速率控制、报文封装、包到达时间、分组丢失模式和队列管理等一系列的实验测试以更深层次地理解EV-DO。实验结果表明：非移动EV-DO用户数据速率比之前短时间内很少变化及长时间内有较多随机行为的用户有更好的稳定性，有较频繁的低级别数据包封装发生；定制服务提供商配置、操作系统差异可以混淆相对于EVDO规格的网络行为。

3G；EV-DO；带宽预算；测试

0 引 言

到目前为止，没有专门针对3G EV-DO网络的带宽预算技术[1]，原因是EV-DO网络和无线802.11或有线网络之间的根本差异，现有的带宽预算工具不能准确地测量EV-DO网络的带宽[2]。对于EV-DO网络的带宽预算根本的挑战是合理的数据包分段和多报文封装、均衡公平的调度、时分多路复用前向链路和高可变性的传输速率[3-4]。

目前只有少数文献针对有线、无线IEEE 802.11和EV-DO网络的现有带宽预算技术的可行性进行研究[5-10]。例如，文献[11]在移动网络中比较三种带宽预算工具(TOPP，SLoPS和pathChirp)，结果显示，pathChirp工具的预算效果最好。然而，该实验只是在NS-2平台上模拟，并不能呈现NS-2的结构，而且文献并没有提供关于移动网络的研究细节(例如，网络情况到底是1xRTT，1xEV还是UMTS)。

文献[12]比较TCP吞吐量通过工具调用npath得到的带宽预算结果。预算结果持续稳定在约525 kbps，TCP吞吐量在300～350 kbps之间变化。虽然作者没有对这些不同做出解释，但是结果显示npath没有准确地估算出其可达到的吞吐量。文献[13]使用WBest来预算一个EV-DO终端可达到的吞吐量。该实验结果表明，WBest未能测量出可达到的最大TCP吞吐量或最大UDP吞吐量。该研究的结论是由于传输速率的高可变性只在很小的时间范围内显现，所以在EV-DO网络的带宽预算并不可行[14]。

文中提出目前广泛使用的3G EV-DO A版本的蜂窝网络技术的测量研究。通过研究EV-DO的特点，有助于实现开发用于移动流应用的高效带宽预算技术的最终目标[15]。已发现的重要的EV-DO的详细信息包括EV-DO数据包开销、传输数据速率的频率和持续时间、EV-DO数据包的分组分片和封装、EV-DO甚至更高层的损耗特性、观察到的信号强度。在对部署EV-DO网络的大致了解之后，这些特点有利于EV-DO模拟器的发展，或者被终端主机用来改进对EV-DO的应用性能[16]。

1 研究背景

文中数据包是指EV-DO包，而协议数据包指的是在其他网络层(例如IP包)的数据包。

典型的EV-DO网络由接入终端(AT)连接到一个接入点(AP)，也称为无线节点(RN)。接入点由无线电控制节点(RNC的)管理，无线电控制节点提供的服务包括资源和移动性管理，分组数据服务节点(PDSNs)将RNC连接到因特网并管理用于AT的点对点协议(PPP)会话[17]。

EV-DO Rev.A的AP传输数据到ATs的速率取决于所接收到的DRC(数据速率控制)索引。每个EV-DO时隙(1.667 ms)，根据AT所测量得到的信号干扰噪声比，估算每个AT接收单个数据包的DRC的最高可能性，并将DRC索引发送到AP。更好的无线信道条件产生较高的DRC，其中，DRC14对应于最高的数据速率，DRC0对应于最低的数据速率[18]。

EV-DO网络维护每个AT的PPP会话。互联网IP报文封装在PPP数据包，经过几层EV-DO层发送到合适的AT。PPP包的形成不保留IP数据包边界，即IP包可被EV-DO网络组合或分段。

2 测试方法

文中EV-DO实验使用一台笔记本电脑与3G的EV-DO Rev.A网卡作为移动无线客户端，利用EV-DO网络嗅探器和Wireshark2工具来捕获蜂窝网的通信量进行测量。通过严格控制从一个连接良好的服务器下行通信的IP数据包大小和数据包速率，该测试与整个网络层信息和推断EV-DO的行为相关。

表1列出了EV-DO测试所采用的软件工具。

EV-DO嗅探器在每个EV-DO时间片统计一次DRC_SINR和PER(数据包错误率)。QCAT出口嗅探器为数据包格式分析跟踪文本文件。由于AirCard进入休眠状态后的5 s空闲时间，嗅探器没有收到信息，自定义地保持活动状态的工具会每隔3 s发送一个UDP数据包到服务器。自定义通信产生工具用一个含有序列号的10字节大小的UDP数据包从服务器发到客户端。

表1 软件工具

3 实验结果分析

文中实验规模的局限可能不会产生普遍存在的具有代表性的结果。然而，以前所提供的大规模的研究大移动网络的数据大多只能来自网络提供商，很可能是因为AT需要人工操作来收集数据。文中一些实验(例如吞吐量与采样时间)是在同一位置不同的DRC范围内运行，从而得出一些更有代表性的数据。其他实验结果(例如，操作系统所造成的不同的数据包间隔时间)是普遍适用的。

(1)DRC分析。

图1(a)描述了两个90 min实验所得到的DRC的CDF值。移动实验如前所述,是一辆汽车以30 km/h移动和在位置B上的静止实验的运行结果。这两种情况下，实验产生了近一个全范围的DRC值，DRC值从1～13清晰分布。移动实验中DRC的分布稍宽。DRC在移动实验中偶尔出现数值为14，在静止实验中却从未出现。

DRC的波动对AP传输速率的可变性，也就是对流媒体应用和带宽预算产生直接影响。一般来说，更稳定的DRC分布应产生更稳定的流数据率、更准确的带宽预算和更少的预算时间。

为了检验这个变化规律，每个EV-DO时隙(1.667 ms)所产生的AT DRC请求被以800 s为一个周期记录下来。图1(b)为这个DRC在静止实验和移动实验中的CDF。在静止的实验中，DRC值在较长的时间段内保持不变。对于静止的AT，半数以上的时间的DRC停留在1 000+时间片的(大约1.5 s)稳定区域，表现得比先前报道的更稳定。DRC在3 000+时隙(5 s以上)的稳定区域大约占10%。在移动的AT的情况下，DRC保持停留在600+时隙(超过1 s)稳定区域超过一半以上的实验时间。

(a)DRC的CDF

(b)DRC中CDF的稳定性

(2)吞吐量与采样时间。

对于实验和工具，确定所需的精确测量的样本大小是关键，如带宽预算，从采样的最少数量实现吞吐量的预测。为此，选择在三个位置的三个运动轨迹线(代表三种不同的AT吞吐量)进行比较。三个运动轨迹持续200 s，在此期间服务器发送饱和的UDP通信到AT。

平均吞吐量分别为：位置C是285 kbps，位置B是441 kbps和位置A是813 kbps。用于位置B和C的数据包的大小是1 500字节，用于地点A中的数据包大小为33字节。

图2 标准偏差与采样间隔

图2是平均吞吐量标准偏差随着采样间隔以秒为单位的变化图。正如预期那样，随着采样间隔的变化，标准偏差稳定不变，然而，即使非常少的样品，标准偏差也是相当低的。这表明带宽预算技术在相对较少的测量情况下也能够获得相当准确的预测。注意，三个运动轨迹，变异系数(标准偏差除以平均值)大约都为1。

(3)EV-DO数据包分析。

IP数据包转移到EV-DO AT的过程中可以被分割。图3表示从612字节到620字节的UDP包和EV-DO数据包每秒到达量比较的实验。在大约675 s，一些EV-DO数据包到达量从每秒1个跳至每秒2个。这表明，在617个字节的IP数据包太大，不适合一个EV-DO数据包，必须被分割为两个EV-DO数据包。除了确认的EV-DO数据包分片的存在，该数据也可提供足够的信息来计算EV-DO头大小。在DRC14，EV-DO每次发送640个字节。

图3 EV-DO包到达时间与IP包大小

(4)应用包分析。

图4表示的是在EV-DO AT的接收笔记本电脑的应用层收集到的UDP数据包CDF间隔时间的实验。该数据包的大小被设置为50字节，以减少包碎片的可能性。数据包到达间隔时间受操作系统影响。Windows系统的间隔时间为1 ms的倍数。到达的1 ms间隔的IP数据包很可能用同样的EV-DO数据包发送(EV-DO分组必须至少被一个EV-DO时隙分离)。时间不同有可能是由于在每个操作系统堆栈缓冲方案或设备驱动器不同造成。因此，基于毫秒计时数据包来推断应用层数据包的带宽不能准确地确定EV-DO数据包的到达率。

(5)PER和故障包。

当一个AT向AP请求DRC，根据测得的SINR，DRC以小于1%的EV-DO数据包错误率(PER)被选择接收。在500 s的时间间隔，在位置B，PER每秒记录一次。超过500 s时，只有15 s的非零PER需要观察。

图4 应用程序包的间隔时间

图5表示出现错误时观察得到的CDF。图中大约90%的PER集中在0.20附近。

图5 PER的CDF

4 结束语

适于仿真的3G EV-DO分析和对视频流的带宽预算技术都没有很好地建立起来。文中利用EV-DO嗅探器、Wireshark和应用程序级的工具进行仔细的实验和测量，深入了解以前未报告或证明的EV-DO性能。结果对建设EV-DO模拟器或在EV-DO上的流媒体应用带宽预算工具是有实际价值的。未来的工作包括更多的测量，特别是在不同的环境(例如城市与郊区)和终端主机(例如移动与静止)的特点。

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Research on Characterization of a EV-DO Network

CHEN Wei-quan1,WU Zhen-bang1,WANG Yao-guang1,QIN Yong2

(1.Dongguan Quality Supervision and Inspection Center，Dongguan 523808,China; 2.School of Computer Science,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

The growth of mobile streaming applications has increased the importance of a better understanding of 3G EVDO performance.For a more accurate measurement of EV-DO network bandwidth,EVDO network sniffer and Wireshark2 tool is applied to capture cellular network traffic for measurement,carrying on a series of experimental measurements including data rate control,packet encapsulation,packet interarrival time,packet loss pattern and queue management to offer an in-depth,crosslayer understanding of EV-DO.The results demonstrate that data rates for non-mobile EV-DO users are more stable than previously reported with little variance over short time scales and more random behavior over long time scales;low-level packet encapsulation/combination happens frequently;and custom service provider configurations and operating system differences can obfuscate network behavior relative to EV-DO specifications.

3G；EV-DO；bandwidth estimation；test

2015-07-10

2015-10-16

时间：2016-03-22

广东省高等院校学科与专业建设专项资金建设项目(2013KJCX0178);清远市产学研结合项目(2012D021212005);江门市科技计划项目(2011010050525);东莞市高等院校科研机构科技计划项目(2012108102035)

陈伟权(1979-)，男，研究生，高级工程师，研究方向为信息技术设备安全质量评估。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1520.064.html

TP31

A

1673-629X(2016)04-0132-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.029